劉慧芳，董建鍇，姜益強(qiáng)，姚 楊

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境與工程學(xué)院，哈爾濱150090)

嚴(yán)寒地區(qū)真空管集熱器夜間熱損失實(shí)驗(yàn)

劉慧芳，董建鍇，姜益強(qiáng)，姚 楊

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境與工程學(xué)院，哈爾濱150090)

為驗(yàn)證真空管集熱器的真空保溫性能及夜間防凍效果，通過實(shí)驗(yàn)對夜間靜止工況下集熱器內(nèi)液體溫度、集熱器夜間散熱量及平均熱損失系數(shù)進(jìn)行實(shí)測和計(jì)算，分析真空管集熱器夜間熱損失特性及其變化規(guī)律.結(jié)果表明：集熱器內(nèi)夜間最低溫度一般位于8～25 ℃，夜間溫降速率為0.7～1.3 ℃/h，夜間總散熱量為1 800～4 700 kJ；測試期間平均熱損失系數(shù)為0.427 W/(m2·K).集熱器夜間熱損失特性分析以及最低溫度變化能夠有效地表明集熱器本身的保溫性能，為嚴(yán)寒地區(qū)集熱器和集熱環(huán)路防凍提供依據(jù)和支持.

熱損失；真空管集熱器；散熱；液體溫度；嚴(yán)寒地區(qū)；防凍

真空管集熱器傳熱是一個包含導(dǎo)熱、對流和輻射的復(fù)雜瞬態(tài)傳熱過程[1-3].由于其真空夾層的存在，真空管集熱器熱損失要小于平板集熱器熱損失[4-5].國家相關(guān)規(guī)范[6]中用平均熱損系數(shù)UL來評價(jià)真空管集熱器的真空保溫性能.它是指在無太陽輻照條件下，全玻璃真空集熱管內(nèi)充滿80 ℃熱水時，通過真空集熱管向周圍環(huán)境傳遞熱能，水溫下降，管內(nèi)平均水溫與環(huán)境溫度相差1 ℃時，吸熱體單位表面積散失的熱量.規(guī)范中給定的平均熱損系數(shù)是在特定環(huán)境條件下測試得到的，該工況稱為熱損測試工況.目前，大多關(guān)于真空管集熱器熱損失的測試和實(shí)驗(yàn)研究基本都是在特定實(shí)驗(yàn)條件或熱損測試狀態(tài)下進(jìn)行的[7-9].該測試結(jié)果只能反映真空管集熱器的真空保溫性能以及特定工況下的熱損失大小.當(dāng)環(huán)境條件改變時，該結(jié)果并不能用于實(shí)際工況條件下的熱損失計(jì)算.為了得到不同環(huán)境條件下真空管集熱器熱損失，很多學(xué)者得到了真空管集熱器的熱損變化規(guī)律[10-12]以及熱損失系數(shù)表達(dá)式[13].但是對于真空管集熱器而言，熱損失系數(shù)通常表示為吸熱管溫度的函數(shù)，而吸熱管溫度并不宜直接測量.因此，在某些關(guān)于真空管集熱器熱性能的研究中，通常忽略集熱器的熱損失[14]或?qū)ζ淙《ㄖ礫15-16].這是因?yàn)橐环矫嬲婵展芗療崞鞯募療崃窟h(yuǎn)遠(yuǎn)大于其熱損失量，在集熱工況下可以忽略其熱損失；另一方面將熱損失量取定值可以簡化計(jì)算，忽略環(huán)境參數(shù)對其散熱量的影響.但是目前為止，實(shí)際環(huán)境條件下的集熱器熱損失研究較少，非集熱工況(主要為夜間工況)時的真空管散熱熱損失和保溫性能研究則更少.而實(shí)際工況下的真空管集熱器的散熱量和熱損系數(shù)更能直接反映集熱器的保溫性能和集熱性能，以及氣候環(huán)境條件對散熱量的影響.

因此，對嚴(yán)寒地區(qū)真空管集熱器夜間熱損失和散熱特性的研究對分析集熱器內(nèi)液體溫度變化，確認(rèn)集熱環(huán)路的保溫性能以及利用集熱器內(nèi)余熱為集熱環(huán)路提供防凍的可行性均具有重要意義.本文在防凍可行性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上[17]，分析冬季夜間室外環(huán)境條件下全玻璃真空管集熱器的傳熱特性，以及非測試條件下的集熱器熱損失，研究全玻璃真空管集熱器內(nèi)液體溫度的變化規(guī)律以及不同室外環(huán)境條件下管內(nèi)液體能夠達(dá)到的最低溫度，并依據(jù)集熱器內(nèi)液體最低溫度來確定相應(yīng)的防凍策略以及合適的防凍液濃度.該研究對嚴(yán)寒地區(qū)太陽能集熱系統(tǒng)的防凍具有重要意義，是改善太陽能集熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的措施之一.

1 集熱器夜間傳熱分析

全玻璃真空管集熱器由全玻璃真空管和聯(lián)集管組成，全玻璃真空管包括罩玻璃管、真空夾層和內(nèi)玻璃管(其外表面附有選擇性吸收涂層).全玻璃真空管的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示.夜間時由于無太陽輻射，集熱器是一個純散熱體.聯(lián)集管的散熱主要與其本身的保溫性能有關(guān)，在很多工況下其傳熱系數(shù)可取定值.由于罩玻璃管和內(nèi)管之間真空夾層的存在，真空管具有較好的保溫性能，可以很大程度上降低真空管的對流和導(dǎo)熱熱損失.全玻璃真空管的散熱量與其本身的結(jié)構(gòu)特性、涂層材料以及真空夾層的真空度等有關(guān)，另外管內(nèi)液體的種類和物性以及集熱器的放置位置、室外環(huán)境溫度、相對濕度、風(fēng)速、天空有效輻射溫度以及云量、天空晴朗度等均影響其熱損失的大小.

圖1 全玻璃真空管集熱器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of all-glass evacuated tube collector

全玻璃真空管集熱器的散熱過程是一個包含導(dǎo)熱、對流和輻射的復(fù)雜的瞬態(tài)傳熱過程.夜間時，其傳熱過程可以進(jìn)行以下假設(shè)簡化：

1)由于真空管管壁較薄，傳熱系數(shù)很大，不考慮玻璃管壁的導(dǎo)熱熱損失；

2)認(rèn)為集熱管上下表面對周圍環(huán)境的散熱一致，忽略環(huán)境條件對局部熱損失的不一致性；

3)忽略真空管內(nèi)液體沿管長方向的溫度梯度；

4)忽略玻璃管及聯(lián)箱的蓄熱作用，即認(rèn)為管內(nèi)液體內(nèi)能的變化等于其散熱量的大小；

5)假定單位時間內(nèi)真空管與室外環(huán)境之間的傳熱為穩(wěn)態(tài)傳熱.

研究指出[18]，集熱器處于散熱狀態(tài)時，真空管內(nèi)液體沿管長方向存在一定的溫度梯度，但是溫度梯度的大小并非是線性的，而是在前9/10管長內(nèi)具有約1 K的溫差，而底部1/10管長處具有較大的溫度梯度.因此，真空管內(nèi)液體實(shí)際溫度應(yīng)該略低于前9/10管長段液體溫度平均值.上述假設(shè)中3)忽略液體沿管長方向的溫度梯度是合理的.

在上述簡化和假設(shè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)能量平衡方程，集熱器單位時間內(nèi)散熱方程可表示為

(1)

式中:ΔΦi為集熱器在任意i時刻、dτ時間內(nèi)的散熱量，W；V為集熱器內(nèi)液體總體積，m3；ρ為集熱器內(nèi)液體的密度，kg/m3；c為管內(nèi)液體比熱容，J/(kg·K)；dτ為時間間隔，s；Tf為集熱器內(nèi)液體溫度，K；Ta為室外環(huán)境溫度，K；Aa為集熱器散熱面積，m2；UL為集熱器總的熱損失系數(shù)，W/(m2·K).

則在任意時間段Δt內(nèi)，集熱器總的熱損失系數(shù)可表示為

(2)

根據(jù)方程(1)、(2)可求得集熱器夜間任意時刻的散熱量和熱損失系數(shù)的變化.

2 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括太陽能集熱環(huán)路(夜間運(yùn)行時也稱為防凍環(huán)路)，連接板式換熱器和水箱的換熱環(huán)路，末端散熱環(huán)路，控制系統(tǒng)以及溫度、流量測試裝置.白天有太陽輻射時，該系統(tǒng)按照集熱模式運(yùn)行；夜間無太陽輻射時進(jìn)行防凍實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖2所示.試驗(yàn)臺位于哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院暖通樓樓頂，包括兩組相同的試驗(yàn)系統(tǒng)，以便于同時進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn).

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程Fig.2 Schematic diagram of the experiment system

通過切換板式換熱器兩側(cè)的旁通環(huán)路，試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)集熱環(huán)路的夜間防凍運(yùn)行，滿足嚴(yán)寒地區(qū)太陽能集熱系統(tǒng)防凍要求，詳見文獻(xiàn)[17, 19].本文主要通過分析夜間無太陽輻射時真空管集熱器的熱損失大小和集熱器內(nèi)液體溫度的變化，得到夜間實(shí)際工況條件下集熱器的散熱特性，以便于更好地確定集熱器本身的防凍效果，以及利用真空集熱管內(nèi)余熱進(jìn)行防凍的可行性.實(shí)測結(jié)果表明，集熱器液體溫度和室外環(huán)境溫度最低值一般出現(xiàn)在6：00—8：00，日出時間約為7：00.白天工況時(8：00以后)，隨著太陽輻射的出現(xiàn)和增加，集熱器內(nèi)液體溫度也逐漸增加，而集熱模式結(jié)束時間一般為17：00左右.因此，本實(shí)驗(yàn)測試時間為18：00—8：00，測試起始時間18：00時對應(yīng)的流體溫度記為Tf0，集熱器內(nèi)夜間溫度的最低值記為Tfl.溫度的測量采用T型熱電偶，經(jīng)標(biāo)定后其測量精度為0.2 ℃，測試時間間隔為1 min.所以，管內(nèi)液體溫度Tf、室外環(huán)境溫度Ta的測試誤差均為0.2 ℃；根據(jù)誤差傳遞公式，可計(jì)算得到集熱器夜間散熱量Φ和夜間熱損系數(shù)UL的誤差分別為3%和5%(液體體積測量誤差為2%；忽略液體密度ρ和定壓比熱cp的計(jì)算誤差).集熱器進(jìn)出口溫度測點(diǎn)位于聯(lián)集管兩端，接近集熱器進(jìn)出口處.集熱器內(nèi)液體溫度Tf用集熱器進(jìn)出口溫度近似代替，即Tf=(Tin+Tout)/2.集熱器為全玻璃真空管集熱器，真空管尺寸為φ58 mm×1 800 mm，集熱器內(nèi)液體為乙二醇防凍液.

3 結(jié)果分析

3.1 集熱器內(nèi)液體溫度變化

冬季夜間時，集熱器一般處于靜止?fàn)顟B(tài)，隨著集熱器內(nèi)高溫液體不斷向周圍環(huán)境散熱，集熱器內(nèi)液體溫度逐漸降低.不同夜間18：00時集熱器內(nèi)液體溫度初始值(Tf0)分別如圖3所示.

圖3 不同夜間時集熱器內(nèi)液體初始溫度(18:00)變化

Fig.3 Initial fluid temperature of solar collector (18:00) at different nights

由于真空管集熱器的水容量較大，且保溫性能較好，當(dāng)白天集熱工況結(jié)束時，集熱器內(nèi)液體溫度仍然處于較高水平.由圖3可知，不同夜間集熱器初始溫度值差別較大，但均高于15 ℃，且除夜間4以外其他夜間的集熱器初始溫度均高于20 ℃.集熱器初始溫度與白天集熱工況以及系統(tǒng)運(yùn)行有關(guān)，但是初始溫度的大小是影響集熱器夜間散熱量和溫度變化的因素之一.一方面，較高的初始溫度有利于冬季夜間真空管集熱器的保溫，可以更好地實(shí)現(xiàn)集熱器防凍要求；另一方面，也表明集熱器內(nèi)的剩余熱量不能被轉(zhuǎn)化為有用熱能，并被有效利用.圖3給出的室外環(huán)境溫度為夜間(18：00—8：00)室外環(huán)境溫度平均值.

夜間時，集熱器內(nèi)液體能夠達(dá)到的最低溫度是太陽能防凍的依據(jù)溫度.由圖4可知，夜間集熱器散熱之后，集熱器內(nèi)液體最低溫度(Tfl)一般位于8～25 ℃，且其平均溫度高于15 ℃.也就是說，如果不考慮室外管路系統(tǒng)的防凍，嚴(yán)寒地區(qū)真空管太陽能集熱系統(tǒng)以水作為循環(huán)介質(zhì)是完全可行的.

圖4 不同夜間時集熱器內(nèi)液體溫度最低值變化Fig.4 The lowest fluid temperature of solar collector at different nights

圖5給出了集熱器夜間溫降以及溫降速率的變化.集熱器內(nèi)液體初始溫度和最低溫度之差稱為集熱器夜間溫降(ΔTf)，即ΔTf=Tf0-Tfl.根據(jù)集熱器內(nèi)液體溫降以及最低溫度對應(yīng)時間，可得集熱器夜間的溫降速率，即dT/dτ=ΔTf/Δt.由圖5可知，集熱器夜間溫降為8～20 ℃，系統(tǒng)1夜間溫降略高于系統(tǒng)2.夜間溫降速率變化范圍為0.7～1.3 ℃/h，相同夜間系統(tǒng)1和系統(tǒng)2溫降速率差值小于0.25 ℃/h.集熱器夜間溫降是由集熱器內(nèi)液體初始溫度和室外環(huán)境條件共同決定的，當(dāng)初始溫度較高時，夜間溫降較大，但是集熱器最低溫度不一定偏高.另外，當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時，集熱器夜間溫降較大，溫降速率較高，但是夜間溫降和溫降速率的大小與室外環(huán)境溫度之間為非線性關(guān)系.

圖5 集熱器夜間溫降及溫降速率

Fig.5 Temperature drop and its drop rate of solar colector in the night

3.2 集熱器熱損失分析

集熱器內(nèi)液體溫度最低值一般出現(xiàn)在日出前后.隨著太陽輻射的增加，集熱器內(nèi)液體溫度開始緩慢上升，集熱器總得熱量大于0，此時文中所給的集熱器熱損失方程將不再適用，因此，集熱器熱損失量的計(jì)算數(shù)據(jù)取18：00—7：00的測試結(jié)果.集熱器夜間總散熱量和單位時間散熱量分別如圖6、7所示.集熱器總散熱量為1 800～4 700 kJ，瞬時散熱量平均值為40～100 W.以夜間4和夜間7為例，對典型夜間系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的瞬時散熱量的變化進(jìn)行對比，結(jié)果如圖8所示.

圖6 不同夜間集熱器總散熱量變化Fig.6 Total heat dissipation of solar collector at different nights

圖7 不同夜間集熱器瞬時散熱量平均值Fig.7 Average heat losses of solar collector at different nights

圖8 不同夜間集熱器瞬時散熱量變化

Fig.8 Transient changing of heat losses of solar collector at different nights

集熱器的散熱量隨著集熱器內(nèi)液體溫度和室外環(huán)境條件的變化而變化.夜間時，隨著集熱器內(nèi)液體溫度的不斷降低，集熱器內(nèi)液體溫度和室外環(huán)境溫度的差值逐漸減少，集熱器瞬時散熱量呈下降趨勢.由于夜間時集熱器內(nèi)液體的溫降梯度是非線性的，計(jì)算得到的單位時間散熱量存在一定的波動.由于集熱器初始溫度和室外環(huán)境條件的不同，不同夜間時集熱器散熱量差別較大.相同夜間時，系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的夜間總散熱量和單位時間瞬時散熱量相近同時存在一定差別，這是由于系統(tǒng)1、2結(jié)構(gòu)本身存在的系統(tǒng)誤差造成的.

集熱器夜間熱損失系數(shù)的平均值見圖9.夜間集熱器平均熱損失系數(shù)變化范圍為0.35～0.5 W/(m2·K).由于集熱器初始溫度和室外環(huán)境條件的不同，不同夜間的平均熱損失系數(shù)有一定的差異.同時，由于不同系統(tǒng)之間的個體差異，除夜間1、2以外，系統(tǒng)1的熱損失系數(shù)高于相同夜間系統(tǒng)2的熱損失系數(shù)值，兩者最大差值為0.1 W/(m2·K)左右.集熱器夜間平均熱損失系數(shù)變化如圖10所示.圖中數(shù)據(jù)除前文提到的10個夜間共計(jì)20組數(shù)據(jù)外，還包含另外17個夜間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).集熱器平均熱損失系數(shù)大部分位于0.3～0.6 W/(m2·K)，平均值為0.427 W/(m2·K)，且位于0.35～0.4 W/(m2·K)區(qū)間內(nèi)的比例為31.2%，位于0.35～0.55 W/(m2·K)區(qū)間內(nèi)的比例為82.9%.整個夜間集熱器熱損失系數(shù)略呈下降趨勢，但是相對較為穩(wěn)定，變化較小.集熱器平均熱損失系數(shù)小于0.3 W/(m2·K)主要出現(xiàn)在7：00—8：00，大于0.6 W/(m2·K)的數(shù)據(jù)主要出現(xiàn)在18：00—18：30.

圖9 不同夜間集熱器平均熱損失系數(shù)變化

Fig.9 Average heat loss coefficient of solar collector at differnet nights

圖10 集熱器夜間平均熱損失系數(shù)逐時變化

Fig.10 Changing of average heat loss coefficient of solar collector at differnet nights

3.3 集熱器最低溫度預(yù)測

集熱器的散熱量和熱損失是集熱器內(nèi)液體溫度和室外環(huán)境參數(shù)(包括室外環(huán)境溫度、相對濕度、風(fēng)速、天空有效溫度、天氣晴朗度、云量等)共同作用的結(jié)果.通過上述對集熱器夜間熱損系數(shù)的分析，可以利用集熱器的平均熱損系數(shù)值和初始溫度值，估算夜間集熱器內(nèi)液體溫度的變化.根據(jù)集熱器最低溫度進(jìn)行集熱環(huán)路防凍是最經(jīng)濟(jì)有效的防凍方法.當(dāng)集熱器熱損失系數(shù)取其平均值0.427 W/(m2·K)時，不同夜間集熱器溫度逐時變化如圖11所示，集熱器最低溫度計(jì)算值與實(shí)測值對比如圖12所示.

圖11 夜間集熱器逐時溫度變化

Fig.11 Changing of the transient fluid temperature of solar collector in the nights

圖12 不同夜間集熱器最低溫度實(shí)測值與計(jì)算值對比

Fig.12 Comparison of the lowest fluid temperature by test and calculation

集熱器夜間實(shí)測與計(jì)算結(jié)果表明，在哈爾濱市室外氣候條件下，集熱器夜間熱損失系數(shù)取定值0.427 W/(m2·K)時，能較準(zhǔn)確地估算集熱器內(nèi)液體溫度的變化.計(jì)算得到的集熱器最低溫度與實(shí)測值的最大溫差為2 ℃.夜間時，集熱器內(nèi)液體溫度是逐漸降低的，圖12中最低溫度的計(jì)算值取8：00時的計(jì)算結(jié)果.而實(shí)測最低溫度值一般出現(xiàn)在7：00—8：00，甚至早于7：00.也就是說實(shí)際工況下集熱器實(shí)際最低溫度與計(jì)算值的最大誤差肯定小于2 ℃.

4 結(jié) 論

本文在嚴(yán)寒地區(qū)太陽能防凍實(shí)驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上，對嚴(yán)寒地區(qū)冬季夜間集熱器的散熱特性和熱損失變化規(guī)律進(jìn)行了測試與分析，得到了實(shí)際環(huán)境條件下集熱器內(nèi)液體溫度的變化規(guī)律，以及集熱器散熱量和熱損失系數(shù)的大小，并驗(yàn)證了利用平均熱損失系數(shù)預(yù)測集熱器液體逐時溫度和最低溫度的可行性.通過上述研究得到以下結(jié)論：

1)集熱器夜間溫降為8～20 ℃，集熱器能夠達(dá)到的最低溫度為8～25 ℃，表明集熱器本身具有較好的保溫性能，集熱器內(nèi)余熱可以用于集熱環(huán)路防凍.

2)集熱器夜間總散熱量為1 800～4 700 kJ，瞬時散熱量平均值為40～100 W，平均熱損系數(shù)為0.427 W/(m2·K)，不同夜間集熱器散熱量與集熱器初始溫度和室外環(huán)境條件有關(guān).

3)集熱器最低溫度的實(shí)測與計(jì)算表明，根據(jù)集熱器的平均熱損失系數(shù)和初始溫度值，估算夜間集熱器內(nèi)液體最低溫度是可行的.

4)冬季夜間真空管集熱器熱損失特性分析，可用于估算不同室外環(huán)境條件下集熱器內(nèi)液體溫度變化以及可能達(dá)到的最低溫度.該研究對嚴(yán)寒地區(qū)太陽能集熱系統(tǒng)的防凍具有重要意義，有助于改善太陽能集熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性.

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Experimental study on the heat dissipation performance of all-glass evacuated tube collector in winter night in cold areas

LIU Huifang, DONG Jiankai, JIANG Yiqiang, YAO Yang

(School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

In order to verify the insulation features and anti-freezing protection effect of all-glass evacuated tube collector, the fluid temperature in solar collector and its changing were tested experimentally in static conditions in winter night, and the heat dissipation and the average heat loss coefficient were calculated as well. The heat loss characteristics and the changing regulations were analyzed in detail. Results indicated that the lowest fluid temperature was ranged from 8 ℃ to 25 ℃, and the temperature drop rate was between 0.7 ℃/h and 1.3 ℃/h. The total amount of heat dissipation was about 1 800-4 700 kJ, and the average heat loss coefficient was 0.427 W/(m2·K) during the testing nights. The study of the heat dissipation of solar collector and the changing of the lowest fluid temperature in it, can effectively demonstrate its insulation properties, which can provide evidence for the anti-freezing of solar collector and its outdoor pipe loops in severe cold areas.

heat loss; evacuated tube collector; heat dissipation; fluid temperature; cold areas; anti-freezing

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.02.026

2015-09-27

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃(2012BAJ06B02)

劉慧芳(1983—)，女，博士研究生； 姜益強(qiáng)(1973—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

姜益強(qiáng)，jyq7245@163.com

TK511

A

0367-6234(2017)02-0164-06